《數(shù)控機床電氣控制》第八章

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1、第 八 章 典 型 數(shù) 控 機 床 電 氣 控 制 系 統(tǒng) 分 析 （ 1） 正 確 分 析 典 型 數(shù) 控 機 床 的 CNC、 進 給 驅(qū) 動 、主 軸 驅(qū) 動 、 輔 助 設(shè) 備 等 電 氣 控 制 線 路 的 工 作 原 理 、控 制 特 點 。（ 2） 掌 握 數(shù) 控 機 床 電 氣 控 制 線 路 的 分 析 思 路 、 連接 方 式 以 及 CNC系 統(tǒng) 的 參 數(shù) 設(shè) 置 、 調(diào) 試 的 方 法 。 v本 章 重 點 ： 通 過 本 章 的 學(xué) 習(xí) ， 要 求 讀 者 具 有 分 析 數(shù) 控機 床 電 氣 控 制 系 統(tǒng) 的 能 力 。v本 章 的 能 力 要 求 : （ 1）

2、 機 床 電 氣 原 理 圖 閱 讀 和 分 析 的 方 法 。（ 2） CNC、 進 給 驅(qū) 動 及 主 軸 驅(qū) 動 的 工 作 原 理 。（ 3） 數(shù) 控 機 床 PLC的 功 能 。知 識 回 顧 ： 一 、 CK160數(shù) 控 車 床 的 簡 介 第 一 節(jié) 數(shù) 控 機 床 電 氣 線 路 的 分 析 CK160數(shù) 控 車 床 結(jié) 構(gòu) 為 斜 床 身 ， 兩 軸 聯(lián) 動 ，配 有 六 工 位 刀 架 。 CK160數(shù) 控 車 床 采 用 了 日 本FANUC公 司 POWER MATE 0數(shù) 控 系 統(tǒng) ， 進 給 采用 FANUC公 司 全 數(shù) 字 交 流 伺 服 裝 置 ， 伺 服

3、電 機 為2/3000， 輸 出 功 率 為 0.5kW， 主 傳 動 電 機 由 變 頻器 控 制 ， 主 電 機 功 率 為 3kW， 主 軸 轉(zhuǎn) 速 范 圍 為35 3500r/min。 CK160數(shù) 控 車 床 配 備 冷 卻 電 機 和防 護 罩 。 二 、 CK160數(shù) 控 車 床 電 氣 控 制 原 理 分 析1 電 源 電 路 （ D1） 2 CNC電 路 （ W1） 3 伺 服 電 路 （ K1） 4 主 軸 電 路 （ H1） 5 輔 助 設(shè) 備 主 電 路 （ E1） 6 強 電 控 制 電 路 （ M1） 7 PLC的 輸 入 電 路 （ M2） 8 PLC的 輸 出

4、電 路 （ M3） 一 、 常 用 的 參 數(shù)第 二 節(jié) CNC、 驅(qū) 動 裝 置 的 參 數(shù) 設(shè) 置1） 檢 測 倍 乘 比 的 設(shè) 定 。2） 指 令 倍 乘 比 的 設(shè) 定 。3） 最 大 切 削 進 給 速 度 的 設(shè) 定 。4） 快 速 移 動 （ G00） 速 度 的 設(shè) 定 。5） 手 動 進 給 速 度 的 設(shè) 定 。6） 位 置 增 益 的 設(shè) 定 。7） 速 度 增 益 的 設(shè) 定 。8） 積 分 時 間 常 數(shù) 的 設(shè) 定 。1 伺 服 控 制 參 數(shù) 9） 到 位 定 位 范 圍 的 設(shè) 定 。10） 最 大 跟 隨 誤 差 的 設(shè) 定 。11） 加 減 速 時 間 常

5、 數(shù) 設(shè) 定 。12） 返 回 機 床 參 考 點 的 速 度 和 方 向 設(shè) 定 。 2. 主 軸 控 制 參 數(shù)1） 分 段 無 級 調(diào) 速 各 檔 最 高 主 軸 轉(zhuǎn) 速 設(shè) 定 。2） 換 檔 時 主 軸 轉(zhuǎn) 動 的 方 式 、 大 小 及 方 向 設(shè) 定 。3） 主 軸 編 碼 器 每 轉(zhuǎn) 脈 沖 數(shù) 設(shè) 定 。4） 恒 速 控 制 時 最 低 主 軸 轉(zhuǎn) 速 設(shè) 定 。5） 主 軸 最 高 轉(zhuǎn) 速 的 設(shè) 定 。6） 主 軸 準(zhǔn) 停 時 的 速 度 與 方 向 設(shè) 定 。7） 準(zhǔn) 停 時 主 軸 控 制 的 增 益 設(shè) 定 。8） 主 軸 準(zhǔn) 停 的 定 位 范 圍 設(shè) 定 。9）

6、 當(dāng) 執(zhí) 行 S功 能 時 ， CNC 送 給 PLC的 S代 碼 設(shè) 定 。 3.機 床 行 程 與 坐 標(biāo) 參 數(shù) 1） 參 考 點 相 對 機 床 零 點 坐 標(biāo) 值 設(shè) 定 。2） 各 坐 標(biāo) 軸 存 儲 行 程 極 限 的 設(shè) 定 。3） 坐 標(biāo) 系 零 點 偏 值 的 設(shè) 定 。4.補 償 參 數(shù) 1） 刀 具 的 長 度 、 半 徑 以 及 磨 損 量 設(shè) 定 。2） 各 軸 反 向 間 隙 補 償 值 設(shè) 定 。3） 各 軸 螺 距 誤 差 補 償 的 設(shè) 定 。5.通 信 參 數(shù) 1） RS232C串 行 通 信 參 數(shù) 的 設(shè) 定 。2） CNC占 用 的 網(wǎng) 絡(luò) 地 址

7、及 網(wǎng) 絡(luò) 參 數(shù) 的 設(shè) 定 。 1. 增 益 參 數(shù) 的 調(diào) 整 二 、 重 要 參 數(shù) 的 調(diào) 整 伺 服 系 統(tǒng) 包 含 三 個 閉 環(huán) 反 饋 ： 位 置 環(huán) 、 速 度環(huán) 、 電 流 環(huán) 。 其 中 電 流 環(huán) 參 數(shù) 用 戶 不 能 調(diào) 整 ， 設(shè)計 中 已 保 證 電 流 環(huán) 有 足 夠 的 增 益 響 應(yīng) 。 用 戶 需 根據(jù) 機 器 的 剛 性 及 負 載 情 況 調(diào) 整 位 置 環(huán) 增 益 和 速 度環(huán) 的 增 益 、 速 度 環(huán) 積 分 時 間 常 數(shù) 等 參 數(shù) 。 （ 1） 增 益 調(diào) 整 的 基 本 準(zhǔn) 則 1） 位 置 環(huán) 增 益 Kp 位 置 環(huán) 增 益 主

8、要 影 響 伺 服 系 統(tǒng) 的 響 應(yīng) ， 設(shè) 定 值越 大 ， 動 態(tài) 響 應(yīng) 越 快 ， 跟 蹤 誤 差 越 小 ， 定 位 時 間 越短 ， 但 過 大 有 可 能 引 起 振 動 。 因 此 ， 在 整 機 穩(wěn) 定 的前 提 下 ， 盡 量 設(shè) 定 的 較 大 。2） 速 度 環(huán) 的 增 益 Kv 此 參 數(shù) 決 定 速 度 環(huán) 的 響 應(yīng) 性 ， 在 機 械 系 統(tǒng) 不 產(chǎn)生 振 動 范 圍 內(nèi) ， 盡 可 能 設(shè) 定 較 大 值 ， 此 外 ， 速 度 環(huán)的 增 益 Kv的 設(shè) 定 與 負 載 慣 量 有 密 切 聯(lián) 系 ， 一 般 來說 ， 負 載 慣 量 越 大 ， Kv應(yīng) 設(shè)

9、 定 得 越 大 。3） 速 度 環(huán) 積 分 時 間 常 數(shù) Ti 在 允 許 范 圍 內(nèi) ， 盡 量 設(shè) 定 較 小 值 。 1） 位 置 環(huán) 增 益 Kp的 調(diào) 整 位 置 環(huán) 增 益 Kp與 整 機 的 機 械 剛 性 有 關(guān) ， 高 剛性 的 連 接 時 位 置 環(huán) 增 益 Kp值 可 設(shè) 定 較 大 ， 但 不 超過 機 械 系 統(tǒng) 的 固 有 頻 率 ， 此 時 ， 可 得 到 較 高 的 動態(tài) 響 應(yīng) ， 中 剛 性 和 低 剛 性 的 連 接 時 Kp的 設(shè) 定 值 不能 太 高 ， 否 則 會 產(chǎn) 生 振 蕩 。（ 2） 各 環(huán) 路 增 益 調(diào) 整 的 分 析 2） 速 度

10、環(huán) 的 增 益 Kv 遵 循 速 度 環(huán) 增 益 Kv在 允 許 的 范 圍 內(nèi) 越 大 越 好的 原 則 ， 對 于 高 剛 性 機 械 如 精 密 加 工 機 床 等 ， 隨著 負 載 慣 量 與 電 機 慣 量 比 值 的 增 加 ， 速 度 環(huán) 的 增益 Kv設(shè) 定 值 應(yīng) 加 大 ， 以 保 證 整 個 系 統(tǒng) 具 有 較 高 的響 應(yīng) ， 但 在 負 載 慣 量 比 10 時 ， 位 置 環(huán) 增 益 Kp和速 度 環(huán) 增 益 Kv增 加 量 不 能 太 大 ， 同 時 需 加 大 速 度環(huán) 積 分 時 間 常 數(shù) Ti， 以 保 證 機 械 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 。 對于 中 剛 性

11、 和 低 剛 性 的 機 械 ， 在 相 同 的 負 載 慣 量 比時 ， Kv值 要 酌 情 減 小 ， 同 時 將 速 度 環(huán) 積 分 時 間 常數(shù) 值 增 大 。 3） 速 度 環(huán) 積 分 時 間 常 數(shù) Ti調(diào) 整 速 度 環(huán) 積 分 環(huán) 節(jié) 的 主 要 作 用 是 使 系 統(tǒng) 對 微 小的 輸 入 有 響 應(yīng) 。 由 于 此 積 分 環(huán) 節(jié) 的 延 時 作 用 ， 積分 時 間 常 數(shù) Ti的 增 加 將 使 定 位 時 間 增 加 ， 響 應(yīng) 將變 慢 ， 因 此 ， 此 時 應(yīng) 盡 量 減 小 Ti的 值 ， 然 而 ， 如果 負 載 慣 量 很 大 或 機 械 系 統(tǒng) 剛 性

12、較 差 時 ， 為 防 止振 動 ， 必 須 加 大 速 度 環(huán) 積 分 時 間 常 數(shù) Ti。 1） 將 位 置 環(huán) 增 益 Kp先 設(shè) 在 較 低 值 ， 然 后 在 不 產(chǎn) 生異 常 響 聲 和 振 動 的 前 提 下 逐 漸 增 加 速 度 環(huán) 的 增 益Kv至 最 大 值 。2） 逐 漸 降 低 Kv的 值 ， 加 大 位 置 環(huán) 增 益 Kp的 值 ， 在整 個 響 應(yīng) 無 超 調(diào) 、 無 振 動 的 前 提 下 將 Kp的 值 設(shè) 至最 大 。3） 速 度 環(huán) 積 分 時 間 常 數(shù) Ti取 決 于 定 位 時 間 的 長 短 ，在 機 械 系 統(tǒng) 不 振 動 的 前 提 下 盡

13、 量 減 小 此 設(shè) 定 值 。4） 最 后 ， 在 取 得 單 步 響 應(yīng) 后 ， 對 位 置 環(huán) 增 益 Kp、速 度 環(huán) 增 益 Kv及 積 分 時 間 常 數(shù) Ti進 行 微 調(diào) ， 找 到最 佳 的 匹 配 點 。 （ 3） 位 置 控 制 時 增 益 的 設(shè) 定 方 法 1） 間 隙 補 償 由 于 在 開 環(huán) 或 半 閉 環(huán) 數(shù) 控 機 床 中 ， 數(shù) 控 裝 置 僅準(zhǔn) 確 地 控 制 電 動 機 的 轉(zhuǎn) 動 ， 那 么 當(dāng) 運 動 方 向 改 變 時 ，會 產(chǎn) 生 電 動 機 的 空 轉(zhuǎn) ， 即 電 動 機 已 轉(zhuǎn) 過 一 個 角 度 ，但 工 作 臺 或 刀 架 并 沒 有

14、移 動 ， 從 而 形 成 指 令 位 置 與實 際 位 置 的 誤 差 。 為 克 服 由 此 產(chǎn) 生 的 誤 差 ， 數(shù) 控 系 統(tǒng) 均 有 間 隙 補償 功 能 ， 各 軸 的 間 隙 值 由 實 測 確 定 ， 并 作 為 參 數(shù) 輸入 給 數(shù) 控 系 統(tǒng) ， 每 當(dāng) 運 動 改 變 方 向 時 ， 系 統(tǒng) 會 自 動控 制 電 動 機 補 足 空 走 的 距 離 ， 即 進 行 間 隙 補 償 。2.補 償 參 數(shù) 的 調(diào) 整 2） 螺 距 誤 差 補 償 在 開 環(huán) 和 半 閉 環(huán) 數(shù) 控 機 床 上 ， 數(shù) 控 機 床 常 使 用高 精 度 滾 珠 絲 杠 。 但 絲 杠 總 存

15、 在 制 造 誤 差 ， 并 且 長期 使 用 還 會 產(chǎn) 生 磨 損 ， 因 此 要 想 進 一 步 提 高 精 度 ，則 需 采 用 螺 距 誤 差 補 償 （ 也 稱 軸 向 校 準(zhǔn) ） 。 螺 距 誤 差 補 償 的 基 本 思 想 就 是 將 數(shù) 控 機 床 控 制某 軸 運 動 的 指 令 位 置 與 高 精 度 位 置 測 量 系 統(tǒng) 所 測 得的 實 際 位 置 相 比 較 ， 計 算 出 在 全 行 程 上 的 誤 差 分 布曲 線 ， 將 誤 差 以 表 格 的 形 式 輸 入 至 CNC系 統(tǒng) 中 ，由 于 滾 珠 絲 杠 本 身 是 精 密 傳 動 部 件 ， 要 測

16、量 其 誤 差分 布 ， 必 須 采 用 更 高 精 度 級 別 的 測 量 儀 器 ， 目 前 大多 采 用 激 光 干 涉 儀 進 行 測 量 。 1 裝 配 三 、 裝 配 與 調(diào) 試 1） 安 裝 前 清 點 各 電 氣 元 件 、 電 纜 等 是 否 齊 全 。2） 根 據(jù) 電 路 圖 接 線 ， 要 求 布 線 整 齊 ， 導(dǎo) 線 入 槽 ，線 號 齊 全 ， 導(dǎo) 線 的 顏 色 符 合 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 。 布 線 時 注 意動 力 線 和 信 號 線 分 開 ， 防 止 干 擾 。 信 號 電 纜 若 為 屏蔽 電 纜 ， 必 須 剝 去 電 纜 外 護 套 裸 露 屏 蔽 層

17、， 并 用 電纜 夾 固 定 于 電 纜 支 架 上 。 柜 外 電 纜 捆 扎 成 束 。3） 各 電 纜 連 接 時 注 意 可 靠 的 接 觸 和 密 封 ， 并 檢 查有 無 松 動 和 損 壞 ， 電 纜 插 上 后 要 擰 緊 螺 釘 。 在 通 電 前 按 圖 紙 逐 一 測 試 各 部 分 接 線 是 否 正 確 ，避 免 短 路 現(xiàn) 象 。 2 調(diào) 試 （ 1） 輸 入 參 數(shù) 、 梯 形 圖 （ 2） 通 電 試 車 1） 在 接 通 電 源 的 同 時 ， 作 好 按 壓 急 停 按 鈕 的 準(zhǔn) 備 。 2） 逐 一 檢 查 面 板 上 各 個 電 氣 元 件 功 能 是

18、 否 正 確 。 3） 檢 查 機 床 各 軸 的 運 轉(zhuǎn) 情 況 。 4） 限 位 保 護 設(shè) 定 。 5） 檢 查 主 軸 轉(zhuǎn) 速 。 6） 設(shè) 定 參 考 點 。 7） 調(diào) 試 刀 架 動 作 是 否 正 確 ， 刀 號 選 擇 是 否 正 確 。 8） 檢 查 輔 助 功 能 及 其 附 件 是 否 正 常 工 作 。（ 3） 試 運 行 本 章 通 過 介 紹 典 型 數(shù) 控 機 床 電 氣 控 制 實 例 ，綜 合 了 前 面 所 講 的 知 識 與 內(nèi) 容 ， 使 讀 者 對 繼 電 器控 制 系 統(tǒng) 和 PLC控 制 系 統(tǒng) 有 了 更 深 入 的 了 解 和 對比 ， 同 時 對 數(shù) 控 機 床 電 氣 控 制 整 體 框 架 有 了 一 定的 認 識 。 v本 章 小 結(jié) ：